JP3649554B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は成形性、信頼性、実装性に優れた樹脂封止型半導体装置に関し、更に詳述すればプリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子を搭載し、その搭載面側の実質的に片面のみを樹脂封止されたいわゆるエリア実装型半導体装置において、樹脂封止後の反りや基板実装時の半田付け工程での反りが小さく、また温度サイクル試験での耐パッケージクラック性や半田付け工程での耐パッケージクラック性や耐剥離性に優れ、かつ成形性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び該半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場動向において、半導体の高集積化が年々進み、又半導体パッケージの表面実装化が促進されるなかで、新規にエリア実装のパッケージが開発され、従来構造のパッケージから移行し始めている。
エリア実装パッケージとしてはＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）あるいは更に小型化を追求したＣＳＰ（チップサイズパッケージ）が代表的であるが、これらは従来ＱＦＰ、ＳＯＰに代表される表面実装パッケージでは限界に近づいている多ピン化・高速化への要求に対応するために開発されたものである。構造としては、ＢＴ樹脂／銅箔回路基板（ビスマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板）に代表される硬質回路基板、あるいはポリイミド樹脂フィルム／銅箔回路基板に代表されるフレキシブル回路基板の片面上に半導体素子を搭載し、その素子搭載面、即ち基板の片面のみがエポキシ樹脂組成物などで成形・封止されている。また、基板の素子搭載面の反対面には半田ボールを２次元的に並列して形成し、パッケージを実装する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に、素子を搭載する基板としては、上記有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板を用いる構造も考案されている。
【０００３】
これらエリア実装型半導体パッケージの構造は基板の素子搭載面のみを樹脂組成物で封止し、半田ボール形成面側は封止しないという片面封止の形態をとっている。ごく希に、リードフレーム等の金属基板などでは、半田ボール形成面でも数十μｍ程度の封止樹脂層が存在することもあるが、素子搭載面では数百μｍから数ｍｍ程度の封止樹脂層が形成されるため、実質的に片面封止となっている。このため、有機基板や金属基板と樹脂組成物との間での熱膨張・熱収縮の不整合、あるいは樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮による影響により、これらのパッケージでは成形直後から反りが発生しやすい。また、これらのパッケージを実装する回路基板上に半田接合を行う場合、２００℃以上の加熱工程を経るが、この際にパッケージの反りが発生し、多数の半田ボールが平坦とならず、パッケージを実装する回路基板から浮き上がってしまい、電気的接合信頼性が低下する問題も起こる。
【０００４】
また、赤外線リフロー、ベーパーフェイズソルダリング、半田浸漬などの手段での半田処理による半田接合を行う場合、樹脂組成物の硬化物並びに有機基板からの吸湿によりパッケージ内部に存在する水分が高温で急激に気化することによる応力でパッケージにクラックが発生したり、基板の素子搭載面と硬化物との界面で剥離が発生することもあり、硬化物の低応力化・低吸湿化とともに、基板との密着性も求められる。
さらに、基板と硬化物の線膨張係数の不整合により、信頼性テストの代表例である温度サイクル試験でも、基板／硬化物界面の剥離やパッケージクラックが発生する。
従来のＱＦＰやＳＯＰなどの表面実装パッケージでは、半田実装時のクラックや各素材界面での剥離の防止のために、ビフェニル型エポキシ樹脂に代表されるような結晶性エポキシ樹脂と可撓性骨格を有するフェノール樹脂硬化剤とを組み合わせて用い、かつ無機質充填材の配合量を増加することにより、低ガラス転移温度化かつ低吸湿化を行う対策がとられてきた。しかし、この手法では、片面封止パッケージにおける反りの問題は解決できないのが現状であった。
【０００５】
基板上の実質的に片面のみを樹脂組成物で封止したパッケージにおいて、反りを低減するには、基板の線膨張係数と樹脂組成物硬化物の線膨張係数を近付けること、及び樹脂組成物の硬化収縮を小さくする二つの方法が重要である。
基板としては有機基板ではＢＴ樹脂やポリイミド樹脂のような高ガラス転移温度の樹脂が広く用いられており、これらはエポキシ樹脂組成物の成形温度である１７０℃近辺よりも高いガラス転移温度を有する。従って、成形温度から室温までの冷却過程では有機基板のα₁ の領域のみで収縮する。従って、樹脂組成物もガラス転移温度が高くかつα₁ が回路基板と同じであり、さらに硬化収縮がゼロであれば反りはほぼゼロであると考えられる。このため、多官能型エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂との組み合わせによりガラス転移温度を高くし、無機質充填材の配合量でα₁ を合わせる手法が既に提案されている。
【０００６】
ところが、一分子中に３個以上のエポキシ基を有する多官能型エポキシ樹脂と一分子中に３個以上のフェノール性水酸基を有する多官能型フェノール樹脂との組み合わせ系は吸湿率が大きいこと、各々の樹脂粘度が高いため無機質充填材を高充填することができず低吸湿化が困難なこと、半田処理温度でも高弾性を示し、発生応力が高いことなどから、半田処理時のパッケージクラック発生や界面剥離の発生が解決されていない。また、素子と基板との電気的接続に用いられる金線は数十μｍと細いうえに、エリア実装パッケージではその長さも従来構造パッケージに比較して長く、更に多ピン化により金線の配線が高密度化しているため、成形時に低粘度の樹脂組成物で封止しないと金線が変形し、金線同士が接触して電気的不良を生じることになる。特にＣＳＰのような薄型のパッケージでは充填性が良好で、金線変形の少ない樹脂組成物による封止が必須の条件であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エリア実装パッケージでの成形後や半田処理時の反りが小さく、また温度サイクル試験や半田処理時などの信頼性に優れ、かつ充填性が良好で金線変形の少ない、即ち、成形時に高流動性の特徴を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれにより封止された半導体装置の開発を目的としてなされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意検討した結果、特殊な結晶性エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂硬化剤との組み合わせで、ガラス転移温度の低下を少なくしたまま低吸湿化が図れること、低粘度化が達成できるため無機質充填材の充填量の増量が可能となり、低吸湿化やα₁ の調整が可能となること、また、成形時の充填性向上やワイヤー変形量の低減ができること、半田処理温度での熱時弾性率が低減できるため発生応力が減少し、回路基板との密着性が向上することなどを明らかにしたものである。
【０００９】
即ち本発明は、プリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみがエポキシ樹脂組成物によって封止されている半導体装置に用いる半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、（Ａ）一般式（１）〜（４）で示され、かつ融点が５０〜１５０℃のエポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも一つのエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に３０重量％以上含むエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（５）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中に３０重量％以上含むフェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）総エポキシ樹脂組成物中に８０〜９０重量％含まれる溶融シリカ粉末からなることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこの半導体封止用エポキシ樹脂組成物によって封止された半導体装置である。
【００１０】
【化３】

【化４】

式（１）〜（３）中のＲは水素原子、ハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異なっていてもよい。式（５）、（６）中のＲはハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異なっていてもよく、ｌは１〜１０の正の整数、ｍは０もしくは１〜３の正の整数、及びｎは０もしくは１〜４の正の整数である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明に用いられる（Ａ）成分のエポキシ樹脂のうち一般式（１）〜（４）で表されるエポキシ樹脂はそれぞれ、ハイドロキノン型エポキシ化合物［式（１）］、スチルベン型エポキシ化合物［式（２）］、ビスフェノールＦ型エポキシ化合物［式（３）］、アラルキル変性ビフェニル型エポキシ樹脂［式（４）］と呼ばれ、その内融点が５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂である。これらの具体例を以下に示すがこれらに限定されるものではない。
【００１２】
【化５】

【００１３】
【化６】

【００１４】
【化７】

【００１５】
【化８】

【００１６】
これらのエポキシ樹脂はいずれも結晶性を示すため、融点未満の温度では固体であるが、融点以上の温度で低粘度の液状物質となる。このため５０℃未満の融点の結晶性エポキシ樹脂では、エポキシ樹脂組成物の製造工程において融着を起こしやすく、作業性が著しく低下する。また、１５０℃を越える融点を示す結晶性エポキシ樹脂では、エポキシ樹脂組成物を加熱混練する製造工程で充分に溶融しないため、材料の均一性に劣るといった問題点を有する。
融点の測定方法としては示差走査熱量計［セイコー電子(株)製ＳＳＣ／５２００］による吸熱ピーク温度（昇温速度５℃／分）から求められる。
【００１７】
これらの結晶性エポキシ樹脂は１分子中のエポキシ基の数が２個と少なく、フェノールノボラック樹脂や可撓性骨格を導入したフェノール樹脂硬化剤との組み合わせでは架橋密度が低く、耐熱性の低い硬化物しか得られない。しかし構造として剛直な平面ないし棒状骨格を有しており、かつ結晶化する性質、即ち分子同士が配向しやすいという特徴を有するため、一般式（５）で示される多官能型フェノール樹脂硬化剤を併用した場合、硬化後の多官能型フェノール樹脂による架橋構造の架橋密度は低下させても、ガラス転移温度などの耐熱性を低下させ難い。一方、通常の２官能非結晶性エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂との組み合わせでは架橋密度が低下すると共に、ガラス転移温度の大幅な低下も起こる。更に、結晶性エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂とを組み合わせた場合、一旦ガラス転移温度を越えた温度領域では低官能基数樹脂の特徴である低弾性率を示すため、半田処理温度での低応力化に効果的である。このため、半田処理でのパッケージクラック発生や基板と樹脂組成物の硬化物界面の剥離発生を防止する効果がある。また、溶融状態では低粘度を示すため成形時に樹脂組成物の流動性が高く、薄型パッケージへの充填性に優れる。
融点５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂は総エポキシ樹脂中に３０重量％以上含まれることが必要である。３０重量％未満では熱時の低弾性化や低粘度化の効果が得難く、従って基板との高密着性が発現せず好ましくない。
【００１８】
本発明のエポキシ樹脂は更に他のエポキシ樹脂と併用しても差し支えない。併用可能なエポキシ樹脂としては、エポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂等が挙げられる。又、これらのエポキシ樹脂は、単独もしくは混合して用いても差し支えない。
【００１９】
本発明で用いられるＢ成分のフェノール樹脂硬化剤の内、式（５）で示されるフェノール樹脂硬化剤はいわゆるトリフェノールメタン型フェノール樹脂と呼ばれるもので、具体例を以下に示す。
【化９】

【００２０】
これらフェノール樹脂硬化剤を使用すると硬化物の架橋密度が高くなり、高いガラス転移温度の硬化物が得られる。式（５）のフェノール樹脂の使用量としては、ガラス転移温度の点から総フェノール樹脂中の３０重量％以上配合することが必要である。３０重量％未満ではガラス転移温度が低下し、また硬化収縮率も大きくなり、成形後のパッケージの反り量が大きくなる。
式（５）のフェノール樹脂は他のフェノール樹脂と適宜併用可能であり、特に限定されるものではないが、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂等が挙げられる。
【００２１】
本発明で用いられる（Ｃ）成分の硬化促進剤としては、前記エポキシ樹脂とフェノール樹脂硬化剤との架橋反応の触媒となり得るものを指し、具体的にはトリブチルアミン等のアミン系化合物、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスフォニウム・テトラフェニルボレート塩等の有機リン系化合物、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物等が例示できるがこれらに限定されるものではない。これらの硬化促進剤は単独であっても混合して用いても差し支えない。
【００２２】
本発明で用いられる（Ｄ）成分の溶融シリカ粉末は、破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、溶融シリカ粉末の配合量を高め、かつ樹脂組成物の溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状シリカを主に用いる方が好ましい。更に球状シリカの配合量を高めるためには、球状シリカの粒度分布をより広くとるよう調整することが望ましい。
本発明の溶融シリカ粉末は総エポキシ樹脂組成物中に８０〜９０重量％含まれることが必要である。８０重量％未満では成形温度から室温までの冷却課程での熱収縮量が基板の熱収縮量よりも大きくなりすぎ、室温におけるパッケージの反り量が大きくなってしまう。また、パッケージ吸湿量も大きいため、吸湿後の半田処理時にパッケージクラックや基板／樹脂組成物界面での剥離の発生が起こりやすい。また９０重量％を越えると、樹脂組成物の成形時の粘度が高過ぎるため金線変形が起こりやすい。
【００２３】
本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）までの必須成分以外にも必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、三酸化アンチモン等の難燃剤、カップリング剤、カーボンブラックに代表される着色剤、天然ワックス及び合成ワックス等の離型剤等が適宜配合可能である。
樹脂組成物とするには各成分を混合後、加熱ニーダや熱ロールにより加熱混練し、続いて冷却、粉砕することで目的とする樹脂組成物が得られる。
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体等の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、トランスファーモールド、コンプレッションモールド、インジェクションモールド等の従来からの成形方法で硬化成形をすればよい。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明する。

上記の全成分をミキサーにより混合した後、表面温度が９０℃と４５℃の２本ロールを用いて３０回混練し、得られた混練物シートを冷却後粉砕して、樹脂組成物とした。得られた樹脂組成物の特性を以下の方法で評価をした。評価結果を表１〜４に示す。
【００２５】
【化１０】

【００２６】
《実施例２〜５》
実施例１を基本配合とし、結晶性エポキシ樹脂の種類を変え、エポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤の配合量を変化させて、実施例１と同様に混合、混練して樹脂組成物を得た。実施例１と同様に評価を行った。配合処方及び評価結果を表１に示す。
≪実施例６及び比較例１〜３≫
実施例１を基本配合とし、結晶性エポキシ樹脂の配合比率を変え、また非結晶性エポキシ樹脂の種類を変えて、実施例１と同様に混合、混練して樹脂組成物を得た。実施例１と同様に評価を行った。配合処方及び評価結果を表２に示す。
《実施例７及び比較例４、５》
実施例１を基本配合とし、式（７）のフェノール樹脂硬化剤の配合量を変化させて、実施例１と同様に混合、混練して樹脂組成物を得た。実施例１と同様に評価を行った。配合処方及び評価結果を表３に示す。
≪実施例８及び比較例６≫
実施例１を基本配合とし、無機質充填材の配合比率を変え、それに伴い結晶性エポキシ樹脂とフェノール樹脂硬化剤との配合比率を変えて、実施例１と同様に混合、混練して樹脂組成物を得た。実施例１と同様に評価を行った。配合処方及び評価結果を表４に示す。
【００２７】
上記実施例及び比較例で使用した式（８）〜（13）のエポキシ樹脂及び式（14）、（15）のフェノール樹脂の構造及び性状を以下に示す。
【化１１】

【００２８】
【化１２】

【００２９】
・式（８）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
融点 ５２℃、エポキシ当量２２５
・式（９）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
融点１３３℃、エポキシ当量１８２
・式（10）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
融点 ８２℃、エポキシ当量１９０
・式（11）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
軟化点６５℃、エポキシ当量２００
・式（12）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
軟化点６０℃、エポキシ当量１７０
・式（13）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
液状、粘度（25℃）５５Poise、エポキシ当量１６８
・式（14）のフェノール樹脂：軟化点８０℃、水酸基当量１０４
・式（15）のフェノール樹脂：軟化点７８℃、水酸基当量１７５
【００３０】
《評価方法》
・スパイラルフロー：
ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用いて、金型温１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ² 、硬化時間２分で測定した。
・ガラス転移温度（Ｔｇ）及び線膨張係数（α₁）：
１７５℃、２分間トランスファー成形したテストピースを更に１７５℃、８時間後硬化し、熱機械分析装置［セイコー電子(株)製ＴＭＡ−１２０、昇温速度５℃／分）で測定した。
・熱時弾性率：
２４０℃での曲げ弾性率をＪＩＳ−Ｋ６９１１の試験条件により測定した。
・パッケージ反り量：
２２５ピンＢＧＡパッケージ（基板は０．３６ｍｍ厚のＢＴ樹脂基板、パッケージサイズは２４×２４ｍｍ、厚み１．１７ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚み０．３５ｍｍ、チップと回路基板のボンディングパッドとを２５μｍ径の金線でボンディングしている）を１８０℃の金型温度、７５ｋｇ／ｃｍ² 射出圧力で２分間トランスファー成形を行い、更に１７５℃で８時間、後硬化した。室温に冷却後パッケージのゲートから対角線方向に、表面粗さ計を用いて高さ方向の変位を測定し、変異差の最も大きい値を反り量とした。
・耐半田性：
パッケージ反り量測定に用いた成形品パッケージを８５℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間放置し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。超音波探傷機を用いてパッケージを観察し、内部クラック数及び基板／樹脂組成物界面の剥離数を（発生パッケージ数）／（全パッケージ数）の％表示で表した。
・金線変形量：
パッケージ反り量評価で成形した２２５ピンＢＧＡパッケージを軟Ｘ線透視装置で観察し、金線の変形率を（流れ量）／（金線長）で％表示した。
【００３１】

【００３２】

【００３３】

【００３４】

【００３５】
【発明の効果】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は金線変形など成形性においても優れおり、該半導体封止用エポキシ樹脂組成物により封止されたエリア実装型半導体装置は、室温及び半田付け工程での反りが小さく、耐半田性や耐温度サイクル性などの信頼性が高いものである。

Claims (2)

1. プリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみがエポキシ樹脂組成物によって封止されている半導体装置に用いる半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、
   （Ａ）一般式（１）〜（４）で示され、かつ融点が５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも一つのエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に３０重量％以上含むエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（５）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中に３０重量％以上含むフェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）総エポキシ樹脂組成物中に８０〜９０重量％含まれる溶融シリカ粉末からなることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   

   

   

   式（１）〜（３）中のＲは水素原子、ハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異なっていてもよい。式（４）、（５）中のＲはハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異なっていてもよく、ｌは１〜１０の正の整数、ｍは０もしくは１〜３の正の整数、及びｎは０もしくは１〜４の正の整数である。
2. プリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみが請求項１記載のエポキシ樹脂組成物によって封止されていることを特徴とする半導体装置。